JP2011053411A - 加熱定着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ベルト加熱方式の加熱定着装置のオンデマンド性を確保しつつも良好な定着性を確保すること。
【解決手段】 耐熱性の無端状ベルトを加熱体に加圧部材で密着させて摺動搬送させ、ベルトと加圧部材とで形成される圧接ニップ部におけるベルトと加圧部材との間に被加熱材を導入して、ベルトと一緒に圧接ニップ部位を狭持搬送させることにより、加熱体の熱がベルトを介して被加熱材に付与される加熱定着装置において、圧接ニップ部内の後半部における圧力の平均値が前半部の圧力の平均値よりも高いことを特徴とする加熱定着装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は被加熱体を加熱するための加熱装置、例えば電子写真におけるトナー像を被加熱体に固着させるために使用される加熱定着装置に関するものである。

従来、電子写真方式を用いた複写機・プリンタ・ファックス等の画像形成装置における記録材上の未定着画像を定着する定着装置としては、熱効率、安全性が良好な接触加熱方式の定着装置が広く知られており、特に近年では省エネルギー推進の観点から、熱伝達効率が高く、装置の立ち上がりも早い方式（オンデマンド）として、熱容量の小さなベルト（フィルム）を介して加熱するベルト加熱方式の定着装置が注目されている。

このベルト加熱方式の定着装置は、例えば特開平２−１５７８７８、４−４４０７５、４−２０４９８０号公報等に記載されているように、加熱体（加熱ヒータ）に加熱用回転体である耐熱性樹脂ベルト（定着ベルト）を加圧用回転体（弾性ローラ）で密着させて摺動搬送させ、該ベルトを挟んで加熱体と加圧部材とで形成される圧接ニップ部に未定着画像を担持した被加熱材としての記録材を導入して該耐熱性樹脂ベルトと一緒に搬送させて該ベルトを介して付与される加熱体からの熱と圧接ニップ部の加圧力によって未定着画像を記録材上に画像として定着させる装置である。

図３は、ベルト加熱方式の定着装置例の概略断面図である。図３において、１は無端状のベルト部材、２は加熱体、３は加熱体２を支持すると共にベルト１の移動をガイドするベルトガイド部材である。ベルト１は加熱体２や支持部材３の組立体に、余裕を持たせた形で外嵌している。ベルト１は内部の加熱体２及び支持部材３に摺擦しながら回転するため加熱体２及び支持部材３とベルト１との間の摩擦抵抗を小さく抑える必要がある。このため加熱体２及び支持部材３とベルト１との間には耐熱性グリース等の潤滑剤を少量介在させてある。

ベルト１はポリイミドなどの耐熱性樹脂、あるいはニッケルなどの金属基層を有する無端状のベルト部材であり、最表層はトナーの離型性を確保するためフッ素樹脂等の離型性層が形成されている。またカラートナー等の定着性を確保するためにシリコーンゴム或いはフッ素ゴム等を成分に含む耐熱弾性層が形成されることがある。

加熱体２はアルミナや窒化アルミニウム等の高絶縁性のセラミックス、又はSUS等の金属により形成された基板上に長手方向（被加熱材の移動方向に直行する方向）に沿って、例えばAg/Pd（銀パラジウム）、RuO₂、Ta₂N等の発熱体をスクリーン印刷などにより、厚み１０μm程度、幅1〜5mm程度の線状もしくは細帯状に塗工して形成した通電発熱用部材である。

４は回転可能に支持され、ベルト１を介し加熱体２に対して圧接する加圧部材としての加圧ローラであり、不図示の駆動手段によって回転駆動させられており、ベルト１を駆動する駆動ローラとしての機能も兼ねている。加圧ローラ４はアルミ等の芯金４ａの上にシリコーンゴムやフッ素ゴム等あるいはシリコーンゴムを発泡させるなどして成型された耐熱弾性層４ｂを設け、ゴム層４ｂの外周に離型層としてフッ素樹脂等の層４ｃを設けてある。

ベルト１は少なくとも画像定着時には加圧ローラ４の反時計方向の回転により、時計方向に加熱体２の下面と摺動しながら所定の周速度、即ち未定着トナー画像６を担持した被加熱材である記録材５の搬送速度と略同一速度で回転駆動される。

また、加熱体温度は加熱体裏面中心部に押圧された温度検知素子８で検知され、その検知温度が温度制御回路（不図示）へフィードバックされて、加熱体裏面温度が所定の温度に維持されるように通電が制御される。

そしてベルト１が回転駆動されている状態において、ベルト１及び加圧ローラ４の変形によって形成される圧接ニップ部７のベルト１と加圧ローラ４との間に記録材５が導入され、該記録材５をベルト１の外周面に密着させてベルトと一緒の重なり状態で該圧接ニップ部７を通過させ、加熱体２で発生した熱がベルト１を介して記録材５に付与され、それと共に圧力が加わることによって記録材５上の未定着トナー画像６が加熱溶融定着される。定着処理された記録材５は圧接ニップ部７を通過後ベルト１から分離して装置外に排出される。

最近では電子写真プロセスの高速化が進む中において、定着器に関する要求として高速定着性が求められている。高速条件下では圧接ニップ部内に被加熱材が存在する時間（ニップ内滞留時間）が短いため加熱体からの熱がトナー及び被加熱材に十分伝わらず、満足のいく定着性を得ることが難しくなる。そのため特開２００１−３５６６２５号公報等のように圧接ニップ部を広く設け、ニップ内滞留時間を長くする方法が提案されている。

一方、近年の省エネルギー化の観点から、このベルト加熱方式の加熱定着装置においてベルトの基層として耐熱性樹脂の代わりにニッケルやＳＵＳ等の金属を用いてベルト基層の熱伝導率を高くすることで、加熱体の消費電力を低減する方法が特開平９−１６００４号公報等に記載されている。

特開平２−１５７８７８号公報 特開平４−４４０７５号公報 特開平４−２０４９８０号公報 特開２００１−３５６６２５号公報 特開平９−１６００４号公報

しかしながら、上記従来例のような圧接ニップ部を広く設けたような構成では、ローラ全体を加熱するため装置が定着可能になるまでに多くのエネルギーと時間がかかってしまう（オンデマンド性の低下）恐れがある。

また、金属基層を用いた場合にはベルトの剛性が大きくなるため、圧接ニップ部を広く設けようとすると装置が大きくなるといった問題が生じる。

本発明はベルト加熱方式の加熱定着装置における上記のような問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは定着装置のオンデマンド性を確保しつつも良好な定着性を確保することである。

本発明は上記目的を達成するための手段として下記の構成を特徴とする加熱定着装置である。

（１）耐熱性の無端状ベルトを加熱体に加圧部材で密着させて摺動搬送させ、ベルトと加圧部材とで形成される圧接ニップ部におけるベルトと加圧部材との間に被加熱材を導入して、ベルトと一緒に圧接ニップ部位を狭持搬送させることにより、加熱体の熱がベルトを介して被加熱材に付与される加熱定着装置において、圧接ニップ部内の後半部における圧力の平均値が前半部の圧力の平均値よりも高いことを特徴とする加熱定着装置。

（２）耐熱性の無端状ベルトを加熱体に加圧部材で密着させて摺動搬送させ、ベルトと加圧部材とで形成される圧接ニップ部におけるベルトと加圧部材との間に被加熱材を導入して、ベルトと一緒に圧接ニップ部位を狭持搬送させることにより、加熱体の熱がベルトを介して被加熱材に付与される加熱定着装置において、該加圧部材の圧力方向に対し加熱体のベルト接触側面の垂直方向が傾きを有することを特徴とする加熱定着装置。

（３）加熱体のベルト接触面が、被加熱材の搬送方向上流側に比べ下流側のほうが加圧部材に近いことを特徴とする（１）乃至（２）に記載の加熱定着装置。

（４）該熱体のベルト接触面の垂直方向と該加圧部材の圧力方向のなす角度が０.５度以上２０度未満であることを特徴とする（１）〜（３）に記載の加熱定着装置。

（５）該加熱体における被加熱材搬送方向下流側端部が前記圧接ニップ部内にあり、上流側端部が圧接ニップ外にある事を特徴とする（１）〜（４）に記載の加熱定着装置。

（６）上記耐熱性ベルトが少なくとも金属層を有する構成であることを特徴とする（１）〜（５）に記載の加熱定着装置。

本発明によれば、加熱体のベルト接触側面の角度を調整することで圧接ニップ部内の圧力分布を制御する事ができ、ニップ前半部よりも後半部の圧力平均値が高い構成とすることで、高スピード条件でも十分な定着性能を確保したベルト加熱方式の加熱定着装置を提供できる。

本発明の加熱定着装置例の横断面模式図である。 本発明における加熱体周りの横断面模式図である。 加熱方式の定着装置例の横断面模式図である。

以下、本発明を詳細に説明する。

加熱体のベルト接触側面の垂直方向が加圧ローラの圧力方向に対し傾きを有することで圧接ニップ部内に圧力分布を制御することができ、その結果ニップ内滞留時間が短い条件でも十分な定着性を確保できる。

図１は本発明における加熱定着装置例の横断面模式図である。加熱体のベルト接触側面の垂直方向は支持部材の形状や加熱体自身の形状により所望の角度に調整されており、加熱体を支持する支持部材と加圧ローラの軸との間に荷重をかけた際に、ベルトと加圧ローラの接触によって形成されるニップ内部の被加熱材搬送方向上流側の圧力平均値と下流側の圧力平均値が異なる。

圧力平均値はニッタ株式会社製の「ローラー間圧力測定システム」を用いて静止状態で測定を行った。圧力値の算出方法は、圧接ニップ部内の被加熱材搬送方向の測定点が奇数個の場合には中心点を除く上流側の圧力値の平均及び下流側の圧力値の平均を採用する。また、測定点が偶数個の場合には上流側の平均値と下流側の平均値を取り、１０回の測定の平均値を算出することで圧力平均値とした。また、圧力分布については有限要素法等を用いた静的応力解析によっても予測・算出が可能である。

加熱体のベルト接触面垂直方向の荷重方向に対する角度は定着性の観点から０.５度以上とされる。一方、加熱体強度及びベルト強度の観点から２０度未満が好ましく、摺動抵抗などの観点から現実的には１５度未満が好ましい。

圧接ニップ部前半部をトナーが担持された被加熱材が通過する間は比較的低圧の状態であり、ベルトから供給される熱がトナー並びに被加熱材に付与されるため固体状態のトナーは溶融し、半液体状態に変化する。このようにして溶融されたトナーは更に圧接ニップ内を搬送されることにより高圧力の後半部に突入し、ここで被加熱材に押し込まれ定着する。

また、加熱定着装置には加熱体に加え加熱体に摺動され現像材を被加熱材に圧着するためのベルトが配設されるが、ベルトの熱伝導性を向上でき、定着装置の立ち上がりが早くなる（オンデマンド性の確保）の観点から少なくとも金属層を有する積層構造のベルトが望ましい。

幅１２.３ｍｍの窒化アルミニウム焼結体の長手方向にＡｇ／Ｐｄ（銀パラジウム）によって発熱体を形成し表面に薄層のガラスコートを設けて形成された加熱体1を加圧部材の荷重方向に対し５度の角度を設ける形で支持部材に接着した。また、ポリイミド（厚み５０μｍ・ベルト内径２４ｍｍ）を主成分としたベルト基層の上にフッ素樹脂離型層を設けることで加熱定着装置用ベルト1を作成した。このベルト1を支持部材に外嵌させて、加圧部材の両端部を総圧120Ｎの力で加熱体中心部に向けて加圧し、圧接ニップ部内の圧力を測定したところ前半部（被加熱材搬送方向上流側）の圧力平均値は５２ＫＰａであったのに対し、後半部（下流側）の圧力平均値は６４ＫＰａとなり後半部の圧力値の方が高く設定できた。ニップ部近傍の状態を図２‐ａに示す。この状態で加圧ローラを１５０ｍｍ／secのスピードで回転させると同時に加熱体に電力（９００Ｗ）を投入し、加熱体裏面の温度検知素子の温度が２３０℃を越えないように制御しながらベルト表面温度が１８０℃に到達した時点でブラックトナーの未定着画像が形成された紙を通し、下流側から排出されたトナー定着画像の定着性評価を行った。定着性の評価は所定の荷重で所定の回数転写紙をこすりつけ、その時の濃度低下により判断した。本例では実用十分レベル（○）の定着性を示した。また、本例では定着可能温度に達するまでの時間（起動時間）は9.3秒であり実用十分レベル（○）であった。結果を表１に示す。

幅９.６ｍｍの窒化アルミニウム焼結体の長手方向に実施例１と同様に発熱体を形成しガラスコート層を設けて加熱体2を作成し、図２‐ｂに示すように上流側はニップ外に下流側はニップ内に来るように加熱体を配し、同様に5度の角度を設けて支持部材に接着した。これにベルト1を外嵌させて実施例1と同様に12ｋｇｆで加圧し、圧力を測定したところ前半部の圧力の平均値は５２ＫＰａであり、後半部の圧力平均値は７８ＫＰａとなった。そこで実施例１と同様にブラックトナーの未定着画像が形成された紙を通し、下流側から排出されたトナー定着画像の定着性評価を行った。結果、定着性については実施例１の状態よりも良くなり、特に良好なレベル（◎）となった。また、起動時間に関しては9.5秒となり実施例１と同様、実用十分レベル（○）であった。結果を表１に示す。

電気鋳造法によって円筒状に形成されたニッケル（Ｎｉ）を主成分とした金属基層（厚み３０μｍ・内径２４ｍｍ）の上にフッ素樹脂離型層を設けることで加熱定着装置用ベルト2作成し、ベルト以外は実施例２と同様の条件で圧力を測定したところ、前半部の圧力の平均値は５４ＫＰａとなり、後半部の圧力平均値は８２ＫＰａとなった。本例でも同様に定着性評価を行った結果、良好なレベル（◎）であった。また、起動時間に関しては6.8秒となり特に良好なレベル（◎）となった。結果を表１に示す。

〔比較例１〕
実施例１で使用した加熱体１を加圧部材の荷重方向に対して傾けずに接着し、ベルト１を外嵌させて加圧した（図2‐ｃ）。圧力を測定したところ前半部の圧力の平均値と後半部の圧力平均値はほぼ等しく、共に５７ＫＰａであった。起動時間に関しては9.6秒となり実用十分レベル（○）が確保できたものの、実施例１と同様の条件で定着性の評価を行ったところ濃度低下が激しく実用的には不可レベル（×）となった。結果を表1に示す。

１ ベルト
２ 加熱体
３ 支持部材
４ 加圧ローラ
５ 被加熱材（記録材）
６ 未定着トナー画像
７ 圧接ニップ部
８ 温度検知素子

Claims (6)

1. 耐熱性の無端状ベルトを加熱体に加圧部材で密着させて摺動搬送させ、ベルトと加圧部材とで形成される圧接ニップ部におけるベルトと加圧部材との間に被加熱材を導入して、ベルトと一緒に圧接ニップ部位を狭持搬送させることにより、加熱体の熱がベルトを介して被加熱材に付与される加熱定着装置において、
   圧接ニップ部内の後半部における圧力の平均値が前半部の圧力の平均値よりも高いことを特徴とする加熱定着装置。
2. 耐熱性の無端状ベルトを加熱体に加圧部材で密着させて摺動搬送させ、ベルトと加圧部材とで形成される圧接ニップ部におけるベルトと加圧部材との間に被加熱材を導入して、ベルトと一緒に圧接ニップ部位を狭持搬送させることにより、加熱体の熱がベルトを介して被加熱材に付与される加熱定着装置において、
   該加圧部材の圧力方向に対し加熱体のベルト接触側面の垂直方向が傾きを有することを特徴とする加熱定着装置。
3. 加熱体のベルト接触面が、被加熱材の搬送方向上流側に比べ下流側のほうが加圧部材に近いことを特徴とする請求項1乃至2に記載の加熱定着装置。
4. 該熱体のベルト接触面の垂直方向と該加圧部材の圧力方向のなす角度が０.５度以上２０度未満であることを特徴とする請求項１〜３に記載の加熱定着装置。
5. 該加熱体における被加熱材搬送方向下流側端部が前記圧接ニップ部内にあり、上流側端部が圧接ニップ外にある事を特徴とする請求項1〜4記載の加熱定着装置。
6. 上記耐熱性ベルトが少なくとも金属層を有する構成であることを特徴とする請求項1〜5記載の加熱定着装置。

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